Регистровая кэш-память

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа

кэш-памяти:

● в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций, прежде чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

● в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, параллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 обладают встроенной в основное ядро МП кэш-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обусловливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium ММХ — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-ro уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-ro (L2) или 3-го (LЗ) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на МВ относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-ro .уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1 — 2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2 — 5 нс, для кэш-памяти

L2 и ЕЗ это время доходит до 10 нс. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени обращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность системы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайт кэш-памяти.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физической структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о логической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.

САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ

****************************

Физическая структура основной памяти

Упрощенная структурная схема модуля основной памяти при матричной его организации представлена на рис. 6.1.

При матричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса, например по 20-разрядным кодовым шинам адреса, делится на две 10-разрядные части, поступающие соответственно в Рег. адр. Х и Рег. адр. Y. Из этих регистров коды полуадресов поступают в дешифраторы дешифратор Х и дешифратор Y, каждый из которых в соответствии с полученным адресом выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи-считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Таким образом адресуется 10⁶ (точнее 1024²) ячеек.

Считываемая или записываемая информация поступает в регистр данных (Рег. данных), непосредственно связанный с кодовыми шинами данных. Управляющие сигналы, определяющие, какую операцию следует выполнить, поступают по кодовым шинам инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающих элементов — собственно ячеек памяти.

Основная память (ОП) содержит оперативное (RAM — Random Access Memory) и постоянное (ROM — Read Only Memory) запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов полупроводниковых конденсаторов. Наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда — «О». Конструктивно элементы oпeративной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти — небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы — слоты на системной плате. На материнской плате может быть несколько групп разъемов — банков — для установки модулей памяти; в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости, например, только по 16 Мбайт или только по 64 Мбайт; блоки разной емкости можно устанавливать только в разных банках.

Модули памяти характеризуются конструктивном, емкостью, временем обращения и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современных модулей памяти весьма высокая — среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов, но тем не менее предпринимаются и дополнительные меры повышения надежности. Вопросы обеспечения надежности и достоверности ввиду их важности специально рассмотрены в части VI учебника. Здесь лишь укажем, что одним из направлений, повышающих надежность функционирования подсистемы памяти, является использование специальных схем контроля и избыточного кодирования информации.

Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (non parity) хранимых битов данных. Контроль по четности позволяет лишь обнаружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок — ЕСС- память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок (см. раздел «Обеспечение достоверности информации» главы 20).

Существуют следующие типы модулей оперативной памяти:

● DIP;

● SIP;

● SIPP;

● SIMM;

● DIMM;

● RIMM.

Рассмотрим их подробнее.

DIP, SIP и SIPP

DIP (Dual In-line Package — корпус с двухрядным расположением выводов)— одиночная микросхема памяти, сейчас используется только в составе более укрупненных модулей (в составе модулей SIMM, например). SIP (Single In-line Package — корпус с однорядным расположением выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально. SIPP (Single In-line Pinned Package — корпус с однорядным расположением проволочных выводов)— 30-контактный (штырьковый) модуль. Модули SIP и SIPP сейчас практически не применяются.

SIMM

SIММ (Single In-line Memory Module) представляет собой печатную плату с односторонним краевым разъемом типа слот и установленными на ней совместимыми микросхемами памяти типа DIP. Микросхемы SIMM бывают двух разных типов: короткие на 30 контактов (длина 75 мм) и длинные на 72 контакта (длина 100 мм). Модули SIMM имеют емкость 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайт. Модули SIMM выпускаются с контролем и без контроля по четности и с эмуляцией контроля по четности. Память SIMM отличается также низким быстродействием — обычно она имеет время обращения 60 и 70 нс. Сейчас такое время обращения считается нежелательным, поэтому модули SIMM встречаются только в устаревших ПК.

DIMM

DIMM (Dual In-line Memory Module) — более современные модули, имеющие 168-контактные разъемы (длина модуля 130 мм); могут устанавливаться только на те типы системных плат, которые имеют соответствующие разъемы. Появление DIMM стимулировалось выпуском процессоров Pentium, имеющих 64-битовую шину данных. Необходимое число модулей памяти для заполнения шины называется банком памяти. В случае 64-разрядной шины для этого требуется два 32-битовых 72-контактных модуля SIMM или один 64-битовый модуль DIMM, имеющий 168 контактов. Модуль DIMM может иметь разрядность 64 бита (без контроля четности), 72 бита (с контролем четности) и 80 битов (память ЕСС). Емкость модулей DIMM: 16, 32, 64, 128, 256 и 512 Мбайт. Время обращения, характерное для современных модулей DIMM, работающих на частоте 100 и 133 МГц (модули РС100, РС133), лежит в пределах 6 — 10 нс.

RIMM

RIMM (Rambus In-line Memory Module) — новейший тип оперативной памяти. Появление технологии Direct Rambus ЭКАМ потребовало нового конструктивного исполнения для модулей памяти. Микросхемы Direct RDRAM собираются в модули RIMM, внешне подобные стандартным DIMM, что, кстати, и нашло отражение в названии модулей нового конструктива. На плате модуля RIMM может быть до 16 микросхем памяти Direct RDRAM, установленных по восемь штук с каждой стороны платы. Модули RIMM могут быть использованы на системных платах с форм-фактором АТХ, BIOS и чипсеты которых согласованы с данным типом памяти. Среди микросхем фирмы Intel это чипсеты i820, i840, i850 и их модификации. На системной плате предусматривается до четырех разъемов под данные модули. Необходимо отметить, что модули RIMM требуют интенсивного охлаждения. Это связано со значительным энергопотреблением и, соответственно, тепловыделением, что обусловлено высоким быстродействием данных модулей памяти (время обращения 5 нс и ниже). Хотя внешне модули RIMM напоминают модули DIMM, они имеют меньшее число контактов и с обеих сторон закрыты специальными металлическими, экранами, которые защищают модули RIMM, работающие на больших частотах, экранируя их чувствительные электронные схемы от внешних электромагнитных наводок. В настоящее время спецификации определяют три типа модулей, различающихся рабочими частотами и пропускной способностью. Обозначаются они как RIMM PC800, RIMM PC700, RIMM PC600. Наиболее быстродействующими являются модули RIMM PC800, работающие с чипсетом 850 на внешней тактовой частоте 400 МГц и имеющие пропускную способность 1,6 Гбайт/с. Модули RIMM PC600 и RIMM PC700 предназначены для работы на повышенных частотах шины памяти, например на частоте 133 МГц, поддерживаемой современными чипсетами.

Типы оперативной памяти

Различают следующие типы оперативной памяти:

● FPM DRAM;

● RAM EDO;

● BEDO DRAM;

● SDRAM;

● DDR SDRAM;

● DRDRAM и т. д.

FPM DRАМ

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) — динамическая память с быстрым страничным доступом, активно используется с микропроцессорами 80386 и 80486. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержании RAS допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого CAS. Это позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей. Существуют две разновидности FPM DRAM, различающиеся временем обращения: 60 и 70 нс. Ввиду своей медлительности они не эффективны в системах с процессорами уровня Pentium II. Модули FPM DRAM в основном выпускались в конструктиве SIMM.

RAM EDO

RAM EDO (EDO — Extended Data Out, расширенное время удержания (доступности) данных на выходе) фактически представляет собой обычные микросхемы FPM, к которым добавлен набор регистров-защелок, благодаря чему данные на выходе могут удерживаться в течение следующего запроса к микросхеме. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходе содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память никакого выигрыша в быстродействии не дает. Память типа RAM EDO имеет минимальное время обращения 45 нс и максимальную скорость передачи данных по каналу процессор-память 264 Мбайт/с. Модули RAM EDO выпускались в конструктива SIMM и DIMM.

BEDO DRAM

ВЕDО DRАМ (Burst Extended Data OutPut, EDO с блочным доступом). Современные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд

и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной длины. Этот вид памяти позволяет обрабатывать данные пакетно (блоками) так, что данные считываются блоками за один такт. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек — достаточно стробировать переход к очередному слову блока. Этот метод позволяет BEDO DRAM работать очень быстро. Память BEDO РКАМ поддерживают некоторые чипсеты фирм VIA Apollo (580VP, 590VP, 680VP) и Intel (i480TX и т. д.) на частоте шины не выше 66 МГц. Активную конкуренцию этому виду памяти составляет память SDRAM, которая постепенно ее и вытесняет. BEDO DRAM представлена модулями и SIMM и DIMM.

SDRAM

SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая память), память с синхронным доступом, увеличивает производительность системы за счет синхронизации скорости работы ОЗУ со скоростью работы шины процессора. SDRAM также осуществляет конвейерную обработку информации, выполняя внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где удается исключить дополнительные такты ожидания. Память SDRAM может устойчиво функционировать на высоких частотах: выпускаются модули, рассчитанные на работу при частотах 100 МГц (спецификация РС100) и 133 МГц (РС133). В начале 2000 года фирма Samsung объявила о выпуске новых интегральных микросхем (ИС) SDRAM с рабочей частотой 266 МГц. Время обращения к данным в этой памяти зависит от внутренней тактовой частоты МП и достигает 5 — 10 нс, максимальная скорость передачи данных «процессор-память» при частоте шины 100 МГц составляет 800 Мбайт/с (фактически равна скорости передачи данных по каналу процессор-кэш). Память SDRAM дает общее увеличение производительности ПК примерно на 25%. Правда, эта цифра относится к работе ПК без кэш-памяти, — при наличии мощной кэш-памяти выигрыш в производительности может составить всего несколько процентов. SDRAM обычно выпускается в 168-контактных модулях типа DIMM и имеет 64-разрядную шину данных. Используется не только в качестве оперативной памяти, но и как память видео- адаптеров, где она полезна при просмотре живого видео и при работе с трехмерной графикой.

DDR SDRAM

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM — SDRAM II). Вариант памяти SDRAM, осуществляющий передачу информации по обоим фронтам тактового сигнала. Это позволяет удвоить пропускную способность по сравнению с традиционной памятью SDRAM (до 1,6 Гбайт/с при частоте шины 100 МГц). Кроме того, DDR SDRAM может работать на более высокой частоте — в начале 2000 года были выпущены 143, 166 и 183 МГц 64-мегабитовые модули DDR

SDRAM. Модули DDR DRAM конструктивно совместимы с традиционными 168-контактными DIMM. Используются не только в качестве элементов оперативной памяти, но и в высокопроизводительных видеоадаптерах. Сейчас они ориентированы в первую очередь на рынок видеоадаптеров. В конце 2001 года компания Нуniх Semiconductor представила образец 128 Мбит DDR SDRAM (0,16 мкм). Его тактовая частота 375 МГц — самая высокая частота для DDR SDRAM на сегодняшний день (2003 год).

DRDRAM

DRDRAM (Direct Rambus DRAM — динамическая память с прямой шиной для RAM) — перспективный тип оперативной памяти, позволивший значительно увеличить производительность компьютеров. Высокое быстродействие памяти Direct RDRAM достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах. В частности, применением собственной двухбайтовой шины Rambus с частотой 800 МГц, обеспечивающей пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с. Контроллер памяти Direct RDRAM управляет шиной Rambus и обеспечивает преобразование ее протокола с частотой 800 МГц в стандартный 64-разрядный интерфейс с частотой шины до 200 МГц. Фирма Intel выпустила чипсеты i820, i840, i850 с поддержкой DRDRAM. Модули Direct RDRAM — RIMM внешне подобны модулям DIM M.

В маркировке SDRAM и DRDRAM (часто именуемой также как RDRAM) обычно указывается рабочая частота модуля в виде, например, обозначения РС150, что для SDRAM означает пиковую пропускную способность 1200 Мбайт/с — такую же, как у PC600 для DRDRAM (ввиду малоразрядности шины последней). Правда, многие чипсеты (например i850) поддерживают двухканальный обмен с памятью DRDRAM, что удваивает ее пропускную способность.

Для DDRDRAM указание РС150 подразумевало бы пропускную способность 2400 Мбайт/с — в 2 раза большую, чем для SDRAM (ввиду передачи информации по двум фронтам импульса). Но для DDR принято в маркировке около букв РС указывать не рабочую частоту, а саму пропускную способность. То есть маркировка РС2400 для DDRDRAM означает DDR-память с рабочей частотой 150 МГц (возможное обозначение такой памяти, как DDR150).

Увеличение разрядности и частоты шины Rambus, обещанное в ближайшие годы, делает память DRDRAM, несмотря на ее высокую стоимость, весьма перспективной. Так, компания Samsung наметила в конце 2003 года выпустить 64-битовую память (с четырьмя 16-битовыми каналами), имеющую пропускную способность 8500 Мбайт/с (РС1066) и 9600 Мбайт/с (РС120 0). Ближайшие перспективы DDRDRAM ненамного скромнее: фирма Нуniх Semiconducta анонсировала 512-мегабитовые чипы DDR, изготовленные по 0,10 мкм-технологии с рабочими частотами 266, 333 и 400 МГц (скорость обмена до 6400 Мбайт/с). Характеристики отдельных видов памяти представлены в табл. 6.2. В конце 2002 года появилось сообщение о создании компаниями Toshiba и Infineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависимой памяти (FeRAM — Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) емкостью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с ЯРКАМ.

Компании IBM и Infineon Technologies разработали технологию магнитной оперативной памяти с произвольной выборкой (MRAM). Работает MRAM аналогично флэш-памяти (Flash) и является энергонезависимой. IBM сообщила, что MRAM сможет заменить существующие разновидности DRAM уже к 2005 году. Компьютер с MRAM будет загружаться практически мгновенно.

*************************************

Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM — Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора — в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

●микросхемы, программируемые только при изготовлении — классические или масочные ПЗУ или ROM;

● микросхемы, программируемые однократно в лабораторных условиях — программируемые ПЗУ (ППЗУ) или programmable ROM (PROM);

● микросхемы, программируемые многократно — перепрограммируемые ПЗУ или Erasable РВОМ (EPROM). Среди них следует отметить электрически перепрограммируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флэш-память.

Устанавливаемые на системной плате ПК модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, чем у оперативной, поэтому для повышения производительности содержимое ПЗУ копируется в ОЗУ, и при работе непосредственно используется только эта копия, называемая также теневой памятью ПЗУ (Shadow ROM).

В настоящее время в ПК используются «полупостоянные», перепрограммируемые запоминающие устройства — флэш-память. Модули, или карты, флэш-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы и имеют следующие параметры: емкость до 512 Мбайт (в ПЗУ BIOS используются до 128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035 — 0,2 мкс, время записи одного байта 2 — 10 мкс. Флэш-память — энергонезависимое запоминающее устройство. Приме- ром такой памяти может служить память NVRAM — Non Volatile RAM со скоростью записи 500 Кбайт/с. Обычно для перезаписи информации необходимо подать на специальный вход флэш-памяти напряжение программирования (12 В), что исключает возможность случайного стирания информации. Перепрограммирование флэш-памяти может выполняться непосредственно с гибкого диска или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера, либо с внешнего программатора, подключаемого к ПК. Флэш-память бывает весьма полезной как для создания весьма быстродействующих, компактных, альтернативных НМД запоминающих устройств — «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ, хранящего программы BIOS, позволяя прямо с «дискеты» обновлять и заменять эти, программы на более новые версии при модернизации ПК.